李 偉，楊曉輝，徐大鵬，3，趙宇昂，趙 俊，3

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣部件松動及絕緣老化等因素，很容易引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障[1-3]。而匝間短路會改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路和磁路的對稱性，對旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子造成擾動，引起機(jī)組振動加劇等問題。如果匝間短路情況逐步加劇，有可能引發(fā)轉(zhuǎn)子繞組局部過熱、轉(zhuǎn)子接地，甚至造成非正常停機(jī)[4-6]。因此，開展輕微匝間短路的早期診斷工作顯得非常必要。

通常情況下，發(fā)電機(jī)匝間短路故障的檢測手段包括在線監(jiān)測和離線檢測。近年來，轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測裝置在大型發(fā)電機(jī)上得到較廣泛應(yīng)用，可通過監(jiān)測氣隙波形分析匝間短路情況。但因采集信號的準(zhǔn)確性受探測線圈的影響較大，對匝間短路初期狀況的監(jiān)測不夠靈敏，且對分析人員的技術(shù)水平要求較高。常規(guī)的離線檢測手段主要包括直流電阻、交流阻抗和匝間壓降測試等，但直流電阻和交流阻抗測試很難發(fā)現(xiàn)早期的匝間短路故障，只能進(jìn)行定性分析，且不能定位故障點(diǎn)，而匝間壓降法操作比較復(fù)雜，需要抽出轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)[7-9]。

近幾年，重復(fù)脈沖示波（Repetitive Surge Oscil?lograph，RSO）試驗(yàn)方法逐漸應(yīng)用于轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)場診斷。

1 RSO測試方法介紹

1.1 基本原理

該方法基于轉(zhuǎn)子繞組的對稱結(jié)構(gòu)，依據(jù)行波傳輸理論，在轉(zhuǎn)子兩端輸入高頻脈沖信號，若轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路而引發(fā)其對稱性結(jié)構(gòu)改變，則兩端注入的高頻脈沖信號在轉(zhuǎn)子繞組上的傳輸對稱性也會發(fā)生變化。RSO方法通過檢測這種變化來反映轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路情況，對轉(zhuǎn)子繞組對稱性短路或者轉(zhuǎn)子繞組絕對中點(diǎn)的匝間短路則不靈敏。

為了簡化分析，忽略發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)互感與匝間電容的影響，并假設(shè)整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組各部分的參數(shù)保持恒定且均勻分布，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組近似等效為一條有損傳輸線。基于傳輸線理論，當(dāng)脈沖信號（行波）沿轉(zhuǎn)子繞組傳播到匝間短路故障點(diǎn)時(shí)，由于故障點(diǎn)波阻抗發(fā)生突變，行波會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象[7-8]。若正常轉(zhuǎn)子繞組波阻抗為Z0，短路故障點(diǎn)波阻抗突變?yōu)閆1，則行波X1傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)時(shí)（如圖1所示），折射波X11會繼續(xù)向前傳播，同時(shí)也會出現(xiàn)反射波X12?？梢杂梅瓷湎禂?shù)α與折射系數(shù)β來表示反射波和折射波的大小[10]，見式（1）、式（2）：

圖1 故障點(diǎn)波的反射和折射示意圖

當(dāng)反射波返回端點(diǎn)時(shí)，會與端點(diǎn)處注入波形相疊加，造成端點(diǎn)處檢測波形與正?；芈窡o阻抗突變時(shí)相異。由式（1）可知，反射系數(shù)與波阻抗變化（Z1-Z0）成正比，波阻抗變化越大，反射現(xiàn)象越顯著，對端點(diǎn)處檢測的波形影響越大。一般而言，可將行波在短路故障處的傳播視為旁路增多，則波阻抗Z1小于Z0，反射波與注入波反相位，使得檢測波形峰值變小。將兩端檢測波形之差定義為特征波形，則正常轉(zhuǎn)子兩端檢測波形與注入波形一致，特征波形近似是一條平緩的直線；如果特征波形某部位有明顯的突起，就可以判斷出現(xiàn)了匝間短路，而該部位特征波形突起的大小可以反映該位置匝間短路的嚴(yán)重程度[11]。

1.2 定位機(jī)理

脈沖信號（行波）在轉(zhuǎn)子繞組上的傳播速度大約為光速的1/3，假設(shè)轉(zhuǎn)子兩端同時(shí)發(fā)出脈沖信號（行波），且匝間短路故障點(diǎn)位置距離繞組端點(diǎn)1比端點(diǎn)2近，行波X1從轉(zhuǎn)子繞組端點(diǎn)1傳輸?shù)蕉它c(diǎn)2所需時(shí)間為T，由端點(diǎn)1傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)用時(shí)為T1，轉(zhuǎn)子繞組的長度為L，則可知故障點(diǎn)與端點(diǎn)1的距離為L1=T1/TL。

故障點(diǎn)反射波回到端點(diǎn)1的時(shí)間也為T1，脈沖信號從發(fā)出到遇到故障點(diǎn)反射波返回端點(diǎn)1的時(shí)間為2T1。此時(shí)端點(diǎn)1檢測波形為反射波與注入波波形的疊加，因反射波與注入波反相位，使得檢測波形峰值變小。此時(shí)端點(diǎn)2發(fā)出行波還未傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)，或者遇到故障點(diǎn)的反射波還未回到端點(diǎn)2，而端點(diǎn)1的折射波也未傳輸?shù)蕉它c(diǎn)2，端點(diǎn)2檢測波形依然是其注入波形。若將端點(diǎn)1與端點(diǎn)2的檢測波形之差定義為特征波形，此時(shí)特征波形會出現(xiàn)向下的突起，即明顯的波谷；反之，如果故障點(diǎn)距離端點(diǎn)2比距離端點(diǎn)1近，則特征波形會表現(xiàn)為波峰。

RSO測試同時(shí)從轉(zhuǎn)子繞組兩端發(fā)出激勵信號并檢測激勵端的波形，以傳播時(shí)間T為時(shí)間軸，將兩端的波形及特征波形在時(shí)間軸上顯示，波峰或波谷在時(shí)間軸的位置反映了脈沖波遇到故障點(diǎn)并反射回端點(diǎn)的時(shí)間，即時(shí)間軸的相對位置反映了故障位于繞組端點(diǎn)到繞組中間點(diǎn)的相對位置。

1.3 試驗(yàn)接線方法

RSO現(xiàn)場測試很方便，只需將轉(zhuǎn)子大軸及儀器接地，斷開轉(zhuǎn)子兩級（集電環(huán)）與勵磁回路的連接，接上脈沖信號發(fā)生器（轉(zhuǎn)子匝間短路分析儀）的2根測試線，用電腦（示波器）同時(shí)采集波形即可。

2 基于補(bǔ)償短路的RSO測試方法

2.1 RSO測試

2.1.1 不存在匝間短路情況測試

選擇國內(nèi)某代表性發(fā)電機(jī)（型號QFSN-330-2）轉(zhuǎn)子進(jìn)行測試，為保證轉(zhuǎn)子不存在匝間短路情況，選擇在制造廠剛完成生產(chǎn)、尚未出廠的轉(zhuǎn)子開展測試，試驗(yàn)儀器采用哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司的RD-1A型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路分析儀。

試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇靜態(tài)試驗(yàn)，激勵方式為兩端同步激勵，激勵信號為鋸齒波，重復(fù)頻率為1 kHz，脈沖寬度為1%（10μs），脈沖幅值12 V。端點(diǎn)1、端點(diǎn)2分別接于轉(zhuǎn)子內(nèi)滑環(huán)和外滑環(huán)。

（1）脈沖在轉(zhuǎn)子繞組的傳播時(shí)間測試。將激勵信號僅注入端點(diǎn)1（即繞組內(nèi)滑環(huán)），端點(diǎn)2無信號注入，標(biāo)定的傳播時(shí)間即為脈沖從端點(diǎn)1注入并在繞組中傳播，最終到達(dá)端點(diǎn)2的時(shí)間。在波形圖上傳播時(shí)間的起始點(diǎn)是端點(diǎn)1脈沖的注入時(shí)刻，到達(dá)點(diǎn)是脈沖傳輸?shù)蕉它c(diǎn)2的時(shí)刻。

（2）正式測試。試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇“兩端同步激勵”，測試結(jié)果如圖2所示。圖2中上半部分波形為轉(zhuǎn)子兩端檢測RSO波形，端點(diǎn)1波形（E1）用紅色顯示，端點(diǎn)2波形（E2）用綠色顯示，下半部分波形為兩端波形之差，即特征波形，用黃色顯示?？梢?，兩端RSO測試波形幾乎重合，特征波形平直，無明顯畸變突起，說明轉(zhuǎn)子繞組的絕緣狀態(tài)良好，不存在匝間短路情況。

圖2 不存在匝間短路的RSO測試圖譜

2.1.2 短路模擬測試

RSO測試方法基于轉(zhuǎn)子繞組的對稱結(jié)構(gòu)，本文測試的轉(zhuǎn)子繞組由8匝組成。在轉(zhuǎn)子繞組的直線部分設(shè)有若干通風(fēng)孔，現(xiàn)場利用這些通風(fēng)口進(jìn)行模擬短路設(shè)置。具體方法為：在截面積為4 mm2的金屬軟導(dǎo)線上纏繞絕緣層，導(dǎo)線兩端少許裸露并制作成倒鉤狀，在轉(zhuǎn)子軸向相應(yīng)的通風(fēng)口位置短接該繞組線圈相鄰的兩匝，將其作為研究對象。

測試模式設(shè)置與2.1.1節(jié)相同，測試結(jié)果如圖3所示。由于短路點(diǎn)設(shè)置在相對靠近轉(zhuǎn)子繞組端點(diǎn)2（外滑環(huán)）的位置，所以端點(diǎn)1每次測試的圖譜沒有變化（圖3上半部分中的紅色線）。不同繞組相鄰匝間短路后的端點(diǎn)2的RSO測試圖譜均不相同，整體表現(xiàn)為相對應(yīng)位置的波形高度下降，在脈沖起始和到達(dá)的參考區(qū)間內(nèi)，依次出現(xiàn)從繞組1到8繞組的特征波形，特征波向上突起，以波峰的形式呈現(xiàn)。

圖3 不同繞組上短路后的RSO波形

各繞組中起始相鄰兩匝短路后，特征波高度并不相同，從繞組1到繞組8特征波高度呈下降趨勢，特征波大小受短路故障位置的影響。

對同一繞組相鄰兩匝1-2、3-4、5-6、7-8匝短路后進(jìn)行RSO測試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，同一繞組相鄰匝間短路的RSO特征波形整體的變化趨勢為：靠近端部的短路特征峰較高，在時(shí)間軸上偏向于脈沖起始點(diǎn)。

圖4 同一繞組相鄰匝間短路后的RSO波形

在傳輸時(shí)間T的時(shí)間軸上，由特征峰的相對位置可以大致定位短路位置，這種定位雖然可以精確到繞組，但是很難確定到繞組的某一匝。

2.2 基于補(bǔ)償短路的RSO測試方法

雖然上述方法可以憑借特征波形中波峰或波谷的相對位置判斷故障位置，但受測試線長度、脈沖信號衰減等因素影響，并且特征波形的波峰和波谷又往往延伸到不存在故障的相鄰匝，使該方法較難定位到具體匝。若想精確定位到匝間，一種方法是通過對轉(zhuǎn)子繞組線圈不同位置進(jìn)行模擬短路，在特征波形上制造尖峰突起并保存其波形，形成一系列的短路點(diǎn)位置的圖譜。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子保存有足夠數(shù)量的這樣的圖譜，當(dāng)實(shí)際測試的特征波上出現(xiàn)尖峰突起時(shí)，將該突起與圖譜中的波形逐一比較，即可定位短路所在的匝。

另一種方法即采用基于補(bǔ)償短路的RSO測試方法。因RSO測試方法的原理基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性，這也決定了其不適于發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子對稱的短路故障，對稱短路故障測試到的特征波形不會表現(xiàn)出波峰或波谷。轉(zhuǎn)子繞組存在對稱性故障的概率很小，可利用這個(gè)特點(diǎn)，對匝間短路的對稱位置設(shè)置一個(gè)程度相當(dāng)?shù)亩搪罚瑒t原來有突起的特征波形就會回歸為一條直線，這就是補(bǔ)償短路法的原理。用該方法可以精確定位故障位置，并判斷短路故障的嚴(yán)重程度。

現(xiàn)場分別在轉(zhuǎn)子兩端第三繞組的對稱位置設(shè)置對稱短路，對上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。與原始圖譜相比，單獨(dú)設(shè)置短路都對波形產(chǎn)生了影響，并且與對稱位置的短路測得波形一致，二者之差得到的特征波形仍然為一條直線。

圖5 對稱短路情況

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，基于RSO測試結(jié)果，對懷疑存在匝間短路故障的轉(zhuǎn)子，根據(jù)特征峰的位置初步確定短路點(diǎn)位置后，將其在繞組上的對稱位置作為補(bǔ)償短路的初始位置，使用事先準(zhǔn)備好的阻值在1～10Ω的一系列電阻進(jìn)行補(bǔ)償短路設(shè)置。期間應(yīng)根據(jù)特征波形的變化調(diào)整補(bǔ)償短路的阻值和位置，直至特征波形上的突起消失，此時(shí)使用的補(bǔ)償電阻即是短路的阻抗值，而實(shí)際的短路點(diǎn)即在補(bǔ)償點(diǎn)的對稱位置。

3 結(jié)語

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在運(yùn)行中長期承受離心力、電磁場和高溫的作用，隨著運(yùn)行年限增長出現(xiàn)匝間短路的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，直接影響到運(yùn)行安全。RSO測試方法現(xiàn)場測試方便，不會損傷轉(zhuǎn)子絕緣，對于即使是相鄰兩匝短路的這種輕微故障也有較好的靈敏度。而基于補(bǔ)償短路的RSO測試方法可對故障位置進(jìn)行精確定位，判斷故障的嚴(yán)重程度，可以對轉(zhuǎn)子繞組匝間短路狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評估，為下一步的檢測或檢修工作提供指導(dǎo)。